Никаких лампочек: как биотехнологии создают освещение для городов будущего

Подобные эксперименты проводятся по всей Франции, в том числе в парижском аэропорту Шарль-де-Голль.

Но в отличие от стандартных уличных фонарей, которые часто излучают резкий яркий свет и должны быть подключены к электросети, эти огни создаются живыми организмами посредством процесса биолюминесценции.

Это явление — когда химические реакции внутри организма производят свет — можно часто наблюдать в природе. Светиться способны самые разные организмы, от светлячков до грибов и рыб. Биолюминесценция встречается у 76% глубоководных существ и десятки раз появлялась в результате эволюции.

Применение биолюминесценции в естественном мире столь же широко.

• Светлячки загораются, чтобы привлечь партнеров, а некоторые виды водорослей люминесцируют при движении окружающей воды.
• Глубоководные рыбы-удильщики позволяют биолюминесцентным бактериям поселяться на луче плавника над их головой, используя его для привлечения добычи.
• Большинство биолюминесцентных видов в океане излучают сине-зеленый свет, который имеет более короткую длину волны и может распространяться в океане на большее расстояние.
• Некоторые светлячки и некоторые улитки светятся желтым, а личинки фритсокрикса, жука, обитающего в Северной и Южной Америке, окрашиваются как в красный, так и в зеленовато-желтый цвет с точечным рисунком.
• У долгоногов — ночных грызунов, обитающих в южной Африке, — даже была обнаружена шерсть, которая создает ярко-розовое биофлуоресцентное свечение.

Между тем бирюзово-голубое свечение, заливающее зал ожидания в Рамбуйе, исходит от морской бактерии Aliivibrio fischeri, собранной у берегов Франции.

Бактерии хранятся внутри трубок, заполненных соленой водой, что позволяет им циркулировать в своеобразном аквариуме. Поскольку свет создается в результате внутренних биохимических процессов, которые являются частью нормального метаболизма организмов, для его поддержания почти не требуется энергии, кроме производства пищи для бактерий.

В трубки добавляется смесь базовых нутриентов и воздух, обеспечивающий приток кислорода. Чтобы «выключить свет», просто перекрывают воздух: это вынуждает бактерии перейти в анаэробное состояние, в котором биолюминесценция прерывается.

«Наша цель — изменить подход к использованию света в городах, — говорит Сандра Рей, основательница французского стартапа Glowee, который ведет проект в Рамбуйе. — Мы хотим создать атмосферу, которая уважает граждан, окружающую среду и биоразнообразие, и продвигать эту новую философию света в качестве реальной альтернативы».

Рей и ее единомышленники считают, что биолюминесценция, производимая бактериями, может быть энергоэффективным и экологичным способом сделать городскую жизнь светлее. 

По ее словам, наш способ производить свет мало изменился с 19 века, когда была разработана первая электрическая лампочка. В 1960-х годах появились светодиодные лампы, которые значительно снизили эксплуатационные расходы на освещение. Но оно по-прежнему зависит от электроэнергии, которая в основном вырабатывается за счет сжигания ископаемого топлива.

Стартап Glowee был основан в 2014 году и в качестве базового сырья использует биолюминесцентные микроорганизмы, которые теоретически являются бесконечно возобновляемыми. Их выращивают в аквариумах с морской водой, а затем упаковывают в пробирки. Рей отмечает, что при производстве требуется меньше воды, чем при создании светодиодных ламп, и выделяется меньше CO2. Кроме того, жидкость биоразлагаема.

По данным компании, лампы Glowee потребляют меньше электроэнергии, чем светодиоды, хотя и производят меньше люменов света, чем большинство современных светодиодных ламп. Пока лампы Glowee доступны лишь в стандартном формате для мероприятий, но компания планирует разработать несколько типов уличной мебели, например скамейки со встроенным освещением.

В 2019 году мэрия Рамбуйе заключила партнерство с Glowee и инвестировала 100 тысяч евро, чтобы превратить город в «полномасштабную лабораторию биолюминесценции».

Фото в тексте: Glowee

Гийом Дуэ, глава отдела общественных пространств Рамбуйе, считает, что, если эксперимент увенчается успехом, он может привести к преобразованиям по всей стране. «Речь идет о городе завтрашнего дня, — говорит Дуэ. — Если прототип действительно работает, мы можем довести его до крупномасштабного развертывания и заменить существующие системы освещения».

Но биолюминесцентное освещение — не новая идея. Примерно в 350 году до н.э. греческий философ Аристотель описал биолюминесценцию светлячков как разновидность «холодного» света. Шахтеры использовали светлячков в банках в качестве освещения в шахтах, где любой вид пламени — даже свеча или фонарь — мог спровоцировать смертельную катастрофу. А племена в Индии пробирались через густые джунгли с помощью светящихся грибов.

Тем не менее, Glowee — первая компания в мире, которая вывела такие эксперименты на этот уровень.

Стартап заявляет, что ведет переговоры с 40 городами Франции, Бельгии, Швейцарии и Португалии. Среди его сторонников стартапа есть и ERDF, компания с преимущественно государственным участием, управляющая электросетью Франции. Европейская комиссия выделила ему финансирование в 1,7 млн евро, а Национальный институт здравоохранения и медицинских исследований Франции (Inserm) оказал техническую поддержку.

Поддерживать живые бактериальные культуры в течение длительного времени трудно из-за необходимости снабжения питательными веществами

Однако Карл Джонсон, профессор биологических наук в Университете Вандербильта, считает, что до масштабного внедрения технологии предстоит решить и более серьезные проблемы.

«Во-первых, нужно кормить бактерии и разводить их по мере их роста, — говорит он. — Это не так просто. Кроме того, это явление будет сильно зависеть от температуры, и я сомневаюсь, что оно будет работать зимой. В-третьих, биолюминесценция очень тусклая по сравнению с электрическим освещением. Но, возможно, они улучшили интенсивность свечения».

Рей из Glowee признает эти проблемы, но настаивает на том, что выгоды, как экологические, так и экономические, могут привести к тому, что города будущего будут освещаться голубым светом бактерий.

В настоящее время команда, расположенная во французском городе Эври варьирует температуру и давление среды бактерий, чтобы продлить интенсивность и длительность света — пока он все еще уступает светодиодным лампам и может продержаться всего несколько дней или недель, прежде чем потребуется дополнительное количество питательных веществ.

На данный момент Glowee заявляет, что его бактерии могут обеспечить яркость в 15 люмен на кв. м — это меньше, но недалеко от минимальных 25 люмен на кв. м, которые, по его мнению, требуются для общественного освещения в парках и садах. Для сравнения, бытовая светодиодная лампа прожектора мощностью 220 люмен может производить около 111 люмен на кв. м пола.

Кэтрин Уильямс, преподаватель Школы биологических наук Кардиффского университета, которая изучала биолюминесценцию у бактерий, соглашается с тем, что поддерживать живые бактериальные культуры в течение длительного времени трудно из-за необходимости снабжения питательными веществами.

Но Уильямс говорит, что это можно преодолеть, сосредоточившись на "хемилюминесценции" — процессе, который Glowee также в настоящее время исследует, — который устраняет необходимость в живых бактериях. Вместо этого фермент, ответственный за биолюминесценцию, люцифераза, теоретически может быть извлечен из бактерий и использован для производства самого света.

«Я думаю, что подход Glowee чрезвычайно новый и инновационный и может быть фантастическим», — говорит она.

Похожие проекты появляются по всему миру.

Базирующаяся в Ванкувере Nyoka Design Labs разрабатывает биоразлагаемую альтернативу светящимся палочкам с использованием неживых бесклеточных ферментов, которые, по словам создателей, гораздо проще поддерживать, чем живые бактерии.

После использования светящиеся палочки не могут быть переработаны из-за смеси содержащихся в них химических веществ. При этом они применяются в разных сферах —  от правоохранительных органов и военных до посетителей музыкальных фестивалей. Некоторые исследователи выражают обеспокоенность по поводу воздействия содержащихся в них химических веществ на морскую флору и фауну, поскольку они также часто используются в качестве приманки.

Уайтхед указывает, что это создает слишком много ненужных отходов: «Видение, к которому мы стремимся, состоит в том, чтобы заменить любые альтернативные системы освещения, чтобы сделать их более устойчивыми».

Заметным прорывом в этом направлении стало опубликованное в апреле 2020 года исследование, в ходе которого команда биотехнологов из Института биоорганической химии РАН совместно со стартапом «Планта» разработала метод поддержания биолюминесценции в растениях. Утверждается, что созданные растения табака светятся в 10-100 раз ярче бактериальных систем.

Новое исследование основано на результатах, которые выявили грибковую версию люциферина, одного из уникальных соединений, необходимых для биолюминесценции, наряду с любым из ферментов люциферазы или фотопротеина.

Кит Вуд, ученый, который 30 лет назад создал первое люминесцентное растение, используя ген светлячков, говорит, что эта технология может частично заменить светодиоды и прочие источники искусственного освещения.

Совсем недавно он обнаружил, что, изменяя генетическую структуру люциферазы, обнаруженной в глубоководной креветке Oplophorus gracilirostris, ее яркость можно увеличить в 2,5 млн раз. Полученный фермент, который исследователи назвали NanoLuc, также был в 150 раз ярче, чем люциферазы, обнаруженные у светлячков.

Но как именно эти трансгенные биолюминесцентные растения могут быть использованы в будущем, еще предстоит решить.

Группа дизайнеров из Афин под руководством Олимпии Ардавани из Греческого Открытого университета представила концепцию биолюминесцентных установок. По оценкам, если бы каждая установка излучала около 57 люмен света, потребовалось бы 40 таких устройств на каждые 30 м с каждой стороны дороги, чтобы соответствовать самому низкому классу уличного освещения, требуемого на европейских дорогах.

Тем не менее, Рей считает, что использование естественной силы биолюминесценции для освещения также может заставить нас по-новому взглянуть на окружающую среду и мир природы. «Это может создать атмосферу, которая сделает нас более уважительными гражданами к окружающей среде и биоразнообразию», — говорит она.

Источник.

Фото на обложке: Glowee